Een onderzoeksteam heeft gemeld dat ze zien, Voor de eerste keer, atomaire schaal defecten die de eigenschappen van een nieuwe en krachtige halfgeleider dicteren.

De studie, eerder deze maand gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X , toont een fundamenteel aspect van hoe de halfgeleider, beta gallium oxide, regelt elektriciteit.

"Het is onze taak om te proberen te identificeren waarom dit materiaal, genaamd bèta-galliumoxide, handelt zoals het handelt op het fundamentele niveau, " zei Jared Johnson, hoofdauteur van de studie en een afgestudeerde onderzoeksmedewerker aan het Ohio State University Center for Electron Microscopy and Analysis. "Het is belangrijk om te weten waarom dit materiaal de eigenschappen heeft die het heeft, en hoe het werkt als een halfgeleider, en we wilden ernaar kijken op atomair niveau - om te zien wat we konden leren."

Wetenschappers weten al ongeveer 50 jaar over bèta-galliumoxide, maar pas in de afgelopen jaren is het een intrigerende optie geworden voor ingenieurs die betrouwbaarder willen bouwen, efficiëntere high-powered technologieën. Het materiaal is bijzonder geschikt voor apparaten die in extreme omstandigheden worden gebruikt, zoals in de defensie-industrie. Het team heeft bèta-galliumoxide bestudeerd vanwege zijn potentieel om kracht met een hoge dichtheid te leveren.

Voor deze studie is het CEMAS-team, onder toezicht van Jinwoo Hwang, assistent-professor materiaalkunde en techniek, onderzocht bèta-galliumoxide onder een krachtige elektronenmicroscoop, om te zien hoe de atomen van het materiaal op elkaar inwerken. Wat ze zagen, bevestigde een theorie die ongeveer tien jaar geleden voor het eerst door theoretici werd verondersteld:bèta-galliumoxide heeft een vorm van onvolmaaktheid in zijn structuur, iets waarnaar het team verwijst als "puntdefecten, " die anders zijn dan alle eerder waargenomen defecten in andere materialen.

Die gebreken zijn belangrijk:bijvoorbeeld het kunnen plaatsen zijn waar elektriciteit verloren kan gaan tijdens het transport tussen elektronen. Met de juiste manipulatie, de defecten kunnen ook kansen bieden voor ongekende controle van de eigenschappen van het materiaal. Maar het begrijpen van de gebreken moet komen voordat we leren hoe we ze kunnen beheersen.

"Het is heel zinvol dat we deze puntdefecten daadwerkelijk kunnen waarnemen, deze afwijkingen in het kristalrooster, "zei Johnson. "En deze puntdefecten, deze vreemde ballen in de roosterstructuur, de energetische stabiliteit van de constructie verlagen."

Een lagere energiestabiliteit betekent dat het materiaal enkele gebreken kan hebben die moeten worden aangepakt om elektriciteit efficiënt te geleiden, Johnson zei, maar ze betekenen niet dat bèta-galliumoxide niet per se een goede halfgeleider zou zijn. De defecten kunnen zich in feite gunstig gedragen om elektriciteit te geleiden - als wetenschappers ze kunnen beheersen.

"Dit materiaal heeft zeer goede eigenschappen voor die krachtige technologieën, " zei hij. "Maar het is belangrijk dat we dit op het fundamentele niveau zien - we begrijpen bijna de wetenschap achter dit materiaal en hoe het werkt, omdat dit defect deze afwijkingen, zou van invloed kunnen zijn op de manier waarop het functioneert als een halfgeleider."